Коннектом. Как мозг делает нас тем, что мы есть - Себастьян Сеунг

Микротом дает толщину до нескольких микронов. Для световой микроскопии этого более чем достаточно, однако с появлением электронного микроскопа стало необходимо резать еще тоньше. В 1953 году Кейт Портер и Джозеф Блюм сконструировали первые ультрамикротомы. Эти машины умели нарезать образцы на удивительно тонкие ломтики – до пятидесяти нанометров, более чем в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса. Вначале ультрамикротомы оснащались стеклянными ножами, но алмазные оказались лучше. Их совершенная острота дает чистые разрезы, к тому же они достаточно долговечны и могут отрезать множество ломтиков, прежде чем затупятся. Как вы понимаете, мозговую ткань следует тщательно и осторожно подготовить к разрезанию в ультрамикротоме. По консистенции она мягкая, словно тофу, и может распасться, если ее резать в свежем состоянии, так что предварительно ее заливают эпоксидной смолой, позже затвердевающей в сплошной монолит, похожий на кусок пластика.

Поначалу микротомы применялись для получения отдельных двухмерных изображений, как показано на иллюстрациях к этой главе. В 1960-х годах ученые сделали следующий шаг: они стали получать целые серии изображений от множества срезов. Этот метод называется серийной электронной микроскопией. Он дает объемную картинку благодаря совмещению набора двухмерных изображений большого количества срезов. В принципе возможно получить изображение совокупности всех нейронов и синапсов в изучаемом фрагменте мозговой ткани – и даже изображение всего мозга. Это-то нам и требуется для отыскания коннектомов. Однако на практике метод оказывается весьма трудоемким. Срезы трудно получить и поместить под микроскоп, не повредив их (такие повреждения на практике происходят сплошь и рядом). Вероятность ошибки очень велика: ведь даже небольшой фрагмент мозга дает огромное количество тончайших срезов.

Несколько десятилетий ученые не могли решить эту проблему. А потом один немецкий физик предложил простой и гениальный выход из положения.

Гейдельберг, очаровательный немецкий город примерно в часе автомобильной езды от Франкфурта, совсем не похож на фабрику технологий будущего. Полуразрушенный замок привлекает толпы туристов. Старая часть города вымощена брусчаткой и пестрит барами и ресторанами, где горланят развеселые студенты университета имени Рупрехта и Карла. Если вы чувствуете потребность предаться глубокомысленным раздумьям, отправляйтесь по Философской тропе, на вершину холма. Оттуда открывается великолепный вид на реку Неккер. Здесь витает дух гейдельбергских интеллектуалов прошлого – вспомним хотя бы Гегеля или Ханну Арендт.

Возле одного из мостов через Неккер угнездилось кирпичное строение – Институт медицинских исследований Общества имени Макса Планка (Янштрассе, 29). Здание кажется довольно скромным, однако тут работали пять нобелевских лауреатов! Это один из восьмидесяти элитных институтов при Обществе имени Макса Планка, которое смело можно назвать жемчужиной немецкой науки. Каждым институтом одновременно руководит несколько директоров, и каждый директор распоряжается солидным бюджетом, имеет небольшую армию помощников по науке и вышколенный технический персонал. Общество имени Макса Планка принимает решение в ходе голосования своих членов – нескольких сотен директоров институтов. Это клуб для самых-самых избранных.

Одним из директоров института на Янштрассе, 29 был Берт Сакман, получивший (совместно с Эрвином Неером) в 1991 году Нобелевскую премию за создание «метода локальной фиксации потенциала ионных каналов в клеточных мембранах», ныне – одного из стандартных инструментов нейрофизиолога. Он, в свою очередь, предложил Винфриду Денку стать новым директором института. Тот не отказался.

Денк – мужчина крупный, у него властный вид германского феодала. (Возможно, этому не стоит удивляться, ведь директора институтов Общества имени Макса Планка в каком-то смысле занимают в современном мире такое же положение, какое в Средние века занимали феодальные князья.) Денк поражает и своим остроумием. Научная лаборатория обычно не очень-то притягивает великих комиков, но бывают исключения. Никогда не забуду семинар одного блистательного специалиста по прикладной математике, пересыпанный уморительными шутками касательно секса, наркотиков и рок-н-ролла, я хохотал до колик в животе и до слез, мешавших мне разглядеть уравнения на доске. Афоризмы Денка свидетельствуют о живости его ума. Чтобы их оценить в полном объеме, вам лучше быть «совой», поскольку Денк предпочитает «график Дракулы», вставая поздно и зарабатываясь почти до рассвета. Вы не пожалеете о недосыпе: после полуночи остроты и каламбуры сыплются из него, как из рога изобилия.

В подвале дома на Янштрассе располагаются три электронных микроскопа, надежно укрытые в специальных отсеках от перепадов температуры. В металлических корпусах микроскопов с помощью специальных насосов создан вакуум, чтобы электроны свободно летали, не сталкиваясь с молекулами воздуха. Микроскопы эти немного капризны: то и дело какой-нибудь из них требует ремонта. Но остальные два могут при этом без перерывов сканировать образцы мозговой ткани неделями или даже месяцами.

Денк впервые прибыл в Гейдельберг, уже будучи ученым с мировым именем, он – один из изобретателей двухфотонного микроскопа. (Я уже рассказывал, что этот прибор применяли для наблюдения процессов возникновения и исчезновения синапсов в живом мозге различных представителей подопытной фауны.) Перетряхнув световую микроскопию, он решил автоматизировать серийную электронную. Его идея отличалась простотой: следует делать снимки поверхности образца, обнажаемой при отрезании ломтей, а не получать изображение самих ломтей, которые от нее отделяются.

В 2004 году Денк обнародовал свое изобретение – автоматическую систему, которая представляла собой ультрамикротом, вмонтированный в вакуумную камеру электронного микроскопа. Он назвал свой метод «серийной сканирующей электронной микроскопией основного блока образца». От этого основного блока «отскакивают» направляемые на него электроны, благодаря чему удается получить двухмерное изображение поверхности образца. Затем лезвие ультрамикротома срезает с этой поверхности тоненький слой, тем самым обнажается новая поверхность, и микроскоп делает очередной снимок. Этот процесс повторяется снова и снова. В итоге получают целую стопку двухмерных снимков – похожих на те, что дает обычная серийная электронная микроскопия.

Почему лучше получать изображение основного блока образца, а не срезов? Потому что блок относительно прочен, а срезы очень уязвимы. Даже если бы они не повреждались из-за неправильного обращения, все равно каждый из них чуть-чуть деформируется, причем всякий – по-разному. В итоге объемное изображение получается искаженным. А вот снимки поверхности основного блока образца не содержат таких искажений (или содержат лишь небольшие), поскольку основной блок практически не деформируется при срезании слоев.

Так как ведется съемка поверхности основного блока образца, а не срезов, оказалось возможным поместить ультрамикротом внутрь электронного микроскопа, создав автоматизированную систему, объединяющую в себе и срезание слоев, и построение изображения. Это повысило надежность и точность измерений, исключив чреватую ошибками стадию ручной переноски срезов от ультрамикротома к микроскопу. Срезы, получаемые новым методом, имели толщину всего 25 нанометров – вдвое меньше, чем максимально достижимая при ручном срезании и переносе.

Подобно альпинистам, ученые вечно бьются за приоритет. Слава достается первооткрывателям, а не тем, кто идет за ними. Но наука чем-то похожа и на инвестирование в бизнес-проекты: можно не только опоздать, но и чересчур поторопиться. В своей статье 2004 года Денк признаёт заслуги Стивена Литона, который высказал сходную идею еще в 1981 году. Изобретение Литона в то время не удалось применить на практике, поскольку его микроскоп выдавал бы слишком много информации, ее в ту эпоху просто не смогли бы должным образом обработать. А к тому времени, когда Денк (независимо от Литона) разработал свою методику, компьютеры уже достаточно усовершенствовались, чтобы хранить большие объемы данных.

Как угадать, когда придет время для воплощения той или иной идеи? Тут как с инвестициями: зачастую такие вещи понимают лишь задним числом, когда уже поздно извлекать сверхприбыли. Один из диагностирующих признаков – изобретение, одновременно и независимо совершаемое двумя людьми. Но еще более верная примета – нахождение двух различных решений для одной и той же задачи. Оказывается, кроме Денка были и другие специалисты, которые тоже пытались автоматизировать процесс наблюдения всё более мелких объектов.